Ο πόλεμος της μαύρης τρύπας συνεχίζεται. Black holes don’t erase information, scientists say

Καλλιτεχνική απεικόνιση του περιβάλλοντος μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στην καρδιά του ενεργού γαλαξία NGC 3783 στον αστερισμό του Κενταύρου Α. Μια νέα μελέτη ενισχύει την άποψη ότι οι πληροφορίες που εισέρχονται σε μια μαύρη τρύπα δεν χάνονται. An artist's impression shows the surroundings of a supermassive black hole at the heart of the active galaxy NGC 3783 in the southern constellation of Centaurus. A new University at Buffalo study finds that -- contrary to what some physicists have argued for the years -- information is not lost once it has entered a black hole. The research presents explicit calculations showing how information is, in fact, preserved. Credit: ESO/M. Kornmesser

Τι συμβαίνει όταν κάτι πέφτει μέσα σε μια μαύρη τρύπα; Εξαφανίζεται; Πριν από τρεις δεκαετίες, ένας νεαρός άγγλος φυσικός ονόματι Stephen Hawking ισχυρίστηκε ότι συμβαίνει αυτό ακριβώς. Οι περισσότεροι επιστήμονες δεν αντιλήφθηκαν τις επιπτώσεις του ισχυρισμού του, αλλά ο αμερικανός φυσικός Leonard Susskind και ο ολλανδός φυσικός Gerard ’t Hooft συνειδητοποίησαν ότι, αν ο Hawking είχε δίκιο, τότε όλα όσα γνωρίζουμε σχετικά με τους θεμελιώδεις νόμους του Σύμπαντος θα έπρεπε να απορριφθούν.

Τη συνεισφορά τους σε ένα «μυστήριο» 40 ετών, το οποίο φέρνει σε αντίθεση θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής φυσικής με τις ιδιότητες των μαύρων τρυπών, δημοσιεύουν επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Μπάφαλο στις ΗΠΑ. Πιο συγκεκριμένα, οι Αμερικανοί επιστήμονες ανέπτυξαν μια νέα θεωρία που απαντά στο Παράδοξο της Χαμένης Πληροφορίας, έναν γρίφο που προσπαθούν να λύσουν οι φυσικοί εδώ και τέσσερις δεκαετίες, με σκοπό να αποδείξουν πως οι μαύρες τρύπες δεν παραβιάζουν την κβαντομηχανική.

Το Παράδοξο συνδέεται με το γεγονός ότι μια μαύρη τρύπα έχει τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο ώστε να «καταπίνει» την ύλη και το φως που θα βρεθούν στην εμβέλειά του. Τότε, μαζί με τα φωτόνια και τα σωματίδια που «καταβροχθίζονται», φαίνεται πως εξαφανίζονται για πάντα και οι πληροφορίες που αυτά κωδικοποιούν. Κάτι που όμως αντιβαίνει σε έναν από τους θεμελιώδεις «πυλώνες» της κβαντικής φυσικής, σύμφωνα με τον οποίο η πληροφορία δεν μπορεί ποτέ να χαθεί, αλλά πάντοτε διατηρείται.

For nearly 40 years, physicists have argued that black holes suck in information and then evaporate without leaving behind any clues as to what they once contained. Now, one scientist says this may not be true.

Η νέα θεωρία αίρει το Παράδοξο, και έτσι «συμφιλιώνει» την κβαντική φυσική με τις ιδιότητες των μαύρων τρυπών, δείχνοντας πως η πληροφορία δεν χάνεται. «Η μελέτη μας έδειξε πως οι πληροφορίες δεν εξαφανίζονται όταν εισέλθουν σε μια μαύρη τρύπα», λέει χαρακτηριστικά στο σάιτ του πανεπιστημίου ο Ντέγιαν Στόικοβιτς, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και ένας από τους επιστήμονες που τη διατύπωσαν, συμπληρώνοντας ότι οι πληροφορίες είναι δυνατόν να ανακτηθούν από την ακτινοβολία που εκπέμπει η μαύρη τρύπα.

Η θεωρία περιγράφεται σε άρθρο των Αμερικανών φυσικών στο περιοδικό Physical Review Letters [Radiation from a collapsing object is manifestly unitary, Anshul Saini, Dejan Stojkovic]. Σε αυτό, οι συγγραφείς του δείχνουν με ποιον τρόπο από τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων που εκπέμπει μια μαύρη τρύπα μπορούν να αποκαλυφθούν όχι μόνο τα χαρακτηριστικά της ύλης και της ενέργειας που έχει «καταπιεί», αλλά και οι ιδιότητες του άστρου από το οποίο αυτή προέκυψε.

Σύμφωνα τον Στόικοβιτς, πρόκειται για μία σημαντική ανακάλυψη, αφού ακόμη και οι φυσικοί που θεωρούσαν ότι η πληροφορία δεν χάνεται σε μία μαύρη τρύπα δεν είχαν καταφέρει μέχρι σήμερα να περιγράψουν με μαθηματικά τον μηχανισμό που τη διατηρεί. Αντίθετα, στο άρθρο στο Physical Review Letters, παρατίθενται εξισώσεις που δείχνουν πώς διατηρείται η πληροφορία.

Last year, Hawking revised his theory by declaring that black holes were in fact 'grey'. The grey hole theory would allow matter and energy to be held for a period of time before being released back into space.

Το Παράδοξο πρωτοδιατυπώθηκε πριν από 40 χρόνια, όταν ο Βρετανός φυσικό Στίβεν Χόκινγκ έδειξε πως οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία, με συνέπεια να «εξαερώνονται» με την πάροδο του χρόνου. Μία άμεση συνέπεια αυτής της ανακάλυψης ήταν πως οι πληροφορίες στο εσωτερικό της θα χαθούν για πάντα όταν αυτή εξαφανισθεί, παραβιάζοντας έτσι την κβαντική φυσική.

Αν και ο Χόκινγκ ήταν τόσο βέβαιος για το Παράδοξο που έβαλε στοίχημα με συναδέλφους του, λίγα χρόνια αργότερα έκανε στροφή 180 μοιρών, παρουσιάζοντας ένα θεωρητικό μοντέλο που επιτρέπει τη διατήρηση της πληροφορίας. Ωστόσο, η λύση του δεν έπεισε όλη την επιστημονική κοινότητα, με συνέπεια μέχρι σήμερα να μην έχει βρεθεί κοινά αποδεκτή εξήγηση.

Με βάση τους ερευνητές από το Μπάφαλο, αυτή η εξήγηση «κρύβεται» τόσο στα σωματίδια που εκπέμπει μία μαύρη τρύπα, όσο και στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις τους. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα δεδομένα, δείχνουν ότι ένας εξωτερικός παρατηρητής έχει τη δυνατότητα να ανακτήσει τα χαρακτηριστικά της ύλης και της ενέργειας που έχει «καταπιεί» το ισχυρό βαρυτικό πεδίο.

Οι αλληλεπιδράσεις αυτές περιλαμβάνουν από τη βαρυτική έλξη μεταξύ των σωματιδίων μέχρι την ανταλλαγή φωτονίων. Παρόλο που αυτές οι «συσχετίσεις» δεν ήταν άγνωστες, οι περισσότεροι επιστήμονες τις θεωρούσαν ασήμαντες μέχρι τώρα. Ωστόσο, σύμφωνα με τον Στόικοβιτς, είναι το «κλειδί» που αίρει το Παράδοξο.

Εκπαιδευτικό εργαλείο τα «μαγικά». Oh, baby: study shows how surprises help infants learn

René Magritte, The magician (Self-portrait with four arms), 1952. Ένα «μαγικό» κόλπο ωθεί το παιδί στο να θέλει να μάθει περισσότερα. Researchers reported a series of experiments that demonstrated that babies actively sought to learn when they witnessed something surprising and were less inclined to learn when they saw something predictable.

Ξάφνιασε ένα παιδί με κάτι «μαγικό» και το παιδί θα μάθει καλύτερα κάτι καινούριο. Αυτό είναι το συμπέρασμα μιας νέας σημαντικής αμερικανικής επιστημονικής έρευνας, η οποία για πρώτη φορά δείχνει ότι τα μωρά έχουν ένα είδος έμφυτης γνώσης για τον κόσμο και τους φυσικούς νόμους, οπότε, όταν οι ενδόμυχες προσδοκίες τους διαψεύδονται από κάτι απρόσμενο και αναπάντεχο, τότε όχι μόνο δίνουν μεγαλύτερη προσοχή (κάτι που είχαν δείξει και προηγούμενες μελέτες), αλλά επίσης αφομοιώνουν καλύτερα νέα πράγματα.

Η μελέτη

Cognitive psychologists have demonstrated for the first time that babies learn new things by leveraging the core information they are born with. When something surprises a baby, like an object not behaving the way a baby expects it to, the baby not only focuses on that object, but ultimately learns more about it than from a similar yet predictable object. Surprise! Infants seek out more information about objects that defy expectations. Credit: © Nomad_Soul / Fotolia

Ερευνητές, με επικεφαλής τις γνωσιακές ψυχολόγους Έιμι Σταλ και Λάιζα Φέιγκενσον του Πανεπιστημίου Τζον Χόπκινς, πραγματοποίησαν πειράματα με 110 κοριτσάκια και αγοράκια 11 μηνών, που δεν μιλούσαν ακόμη. Οι ψυχολόγοι έδειξαν στα μωρά μια σειρά από καταστάσεις, τόσο αναμενόμενες (πχ. μια μπάλα που κατρακυλά στην κατηφόρα και σταματά σε ένα τοίχο), όσο και απρόσμενες (πχ. μια μπάλα που περνά μέσα από τον τοίχο ή αιωρείται στον αέρα), προκειμένου να συγκρίνουν σε ποια περίπτωση ένα παιδί ενδιαφέρεται να αποκτήσει περισσότερες πληροφορίες και έτσι μαθαίνει με πιο αποτελεσματικό τρόπο. Το συμπέρασμα ήταν ότι αυτό συμβαίνει, όταν βλέπει γύρω του κάτι που δεν θα έπρεπε να συμβαίνει.

Ανακύπτει, βεβαίως, το ερώτημα: και πώς ξέρει ένα μωρό τι «πρέπει» και τι «επιτρέπεται» να συμβαίνει στον φυσικό κόσμο και τι όχι; Η απάντηση των ερευνητών είναι ότι κάθε παιδί φαίνεται πως γεννιέται με μια θεμελιώδη γνώση και αίσθηση του τι είναι εκ φύσεως αναμενόμενο και τι όχι. Έτσι, ό,τι παραβιάζει -ως δια μαγείας- αυτή την εκ γενετής αίσθηση, γίνεται αυτομάτως πιο ενδιαφέρον και άρα αποτελεί καταλληλότερο ερέθισμα για κατανόηση και για μάθηση.

Συνεπώς, όταν ένα αντικείμενο συμπεριφέρεται αφύσικα (πχ περνά μέσα από τοίχους), τότε το παιδί εστιάζεται περισσότερο σε αυτό το «μαγικό» αντικείμενο και τελικά θέλει να μάθει περισσότερα γι’ αυτό, από ό,τι όταν το αντικείμενο συμπεριφέρεται προβλέψιμα (όπως μια «βαρετή» μπάλα που είναι αναμενόμενο να κυλά σε μια κατηφόρα).

Jérôme Bosch, L'Escamoteur, 1460-1516, 53x65 cm. Saint Germain en Laye, Musée municipal. Τα παιδιά αφομοιώνουν καλύτερα τα πράγματα όταν εντυπωσιάζονται από αυτό που βλέπουν

«Τα νήπια χρησιμοποιούν ό,τι ήδη γνωρίζουν για τον κόσμο, προκειμένου να σχηματίσουν προβλέψεις. Όταν αυτές οι προβλέψεις φαίνονται λανθασμένες, τότε τα νήπια χρησιμοποιούν κάτι τέτοιο ως μια ξεχωριστή ευκαιρία για μάθηση. Όταν τα μωρά ξαφνιάζονται, μαθαίνουν πολύ καλύτερα», δήλωσε η Λάιζα Φέιγκενσον.

Μάλιστα τα πειράματα έδειξαν πως τα μωρά προτιμούν ένα «μαγικό» αντικείμενο ακόμη και από ένα ολοκαίνουργιο παιγνίδι, το οποίο όμως κάνει προβλέψιμα πράγματα. Ας το έχουν αυτό υπόψη τους οι γονείς. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».

Στέλνουν καμικάζι σε αστεροειδή! ESA's planetary defence test set for 2020

Η αποστολή θα ταξιδέψει στο δυαδικό σύστημα και το ένα από τα δύο σκάφη θα πέσει πάνω στον ένα από αυτό σε μια προσπάθεια να τον εκτρέψει από την πορεία του. ESA’s Asteroid Impact Mission will provide before-and-after data on the ‘Didymoon’ asteroid, set to be struck by NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART) probe in late 2022. A plume is expected to be triggered by the highly energetic collision. Credit: ESA–Science Office

Πριν από δύο χρόνια έγινε γνωστό ότι ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) και η NASA μελετούν το ενδεχόμενο να οργανώσουν μια νέα φιλόδοξη αποστολή. Μια αποστολή αναχαίτισης ενός αστεροειδή. Ανακοινώθηκε ότι η αποστολή… καμικάζι έλαβε έγκριση και ξεκινά η προετοιμασία της.

Το σχέδιο

Launched in October 2020, AIM will travel to a binary asteroid system – the paired Didymos asteroids, which will come a comparatively close 11 million km to Earth in 2022. The 800 m-diameter main body is orbited by a 170 m moon, informally called ‘Didymoon’. This smaller body is AIM’s focus: the spacecraft will perform high-resolution visual, thermal and radar mapping of the moon to build detailed maps of its surface and interior structure, as well as putting down a lander and deploying CubeSats. Then in late 2022 Didymoon will be hit by NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART). AIM will then survey the changes to the asteroid and its orbit from the impact. The two missions together are known as the Asteroid Impact & Deflection Assessment (AIDA) mission. Credit: ESA–Science Office

Η αποστολή ονομάζεται AIDA (Asteroid Impact & Deflection Assessment) και θα αποτελείται από δύο σκάφη το DART που θα κατασκευαστεί στις ΗΠΑ και το AIM που θα κατασκευαστεί στην Ευρώπη. Όπως έγινε γνωστό τον Οκτώβριο του 2020 τα δύο σκάφη θα ξεκινήσουν το ταξίδι τους για να πλησιάσουν τον Δίδυμο, ένα αστεροειδή διαμέτρου 800 μέτρων που διαθέτει και ένα μικρό δορυφόρο διαμέτρου 150 μέτρων. Ο Δίδυμος αναμένεται να περάσει κοντά από τη Γη το 2022. Θα περάσει σε απόσταση 11 εκ. χλμ από τον πλανήτη μας, απόσταση τέτοια που επιτρέπει την διεξαγωγή του πειράματος χωρίς να κρύβεται κάποιος κίνδυνος.

The target for the international Asteroid Impact & Deflection Assessment mission, of which ESA's Asteroid Impact Mission (AIM) is a part. In 2020 AIM will head to the paired Didymos asteroids, which will come a comparatively close 11 million km to Earth in 2022. The 800 m-diameter main body is orbited by a 170 m moon, informally called ‘Didymoon’, which will be surveyed in detail by AIM. In late 2022 the NASA-led Double Asteroid Redirection Test (DART) probe will crash straight into the asteroid moon at about 6 km/s. Credit: ESA–Science Office

Σύμφωνα με το σχέδιο το σκάφος DART θα πέσει πάνω στον μικρότερο αστεροειδή με ταχύτητα 22.500 χλμ/ώρα. Το δεύτερο σκάφος, με την ονομασία AIM, θα παρακολουθήσει τα αποτελέσματα της σύγκρουσης προκειμένου να διαπιστωθεί πόσο άλλαξε η τροχιά του στόχου.

ESA’s Asteroid Impact Mission will use high-capacity laser communications to send its scientific data back to ESA’s Optical Ground Station in Tenerife, demonstrating the potential of optical communications for deep-space missions. Credit: ESA–Science Office

Παράλληλα το ΑΙΜ θα καταγράψει εικόνες και θα συλλέξει διάφορα δεδομένα από τον Δίδυμο.

Όπως είναι ευνόητο οι επιστήμονες θέλουν να διαπιστώσουν αν είναι εφικτή η εκτροπή ενός αστεροειδή από την τροχιά του αν πέσει πάνω του κάποιο αντικείμενο ώστε σε περίπτωση που διαπιστωθεί ότι κάποιος αστεροειδής κινείται απειλητικά προς τη Γη να οργανωθεί με αποστολή αναχαίτισης.